一種爐渣成分在線預測方法與流程
本發明涉及爐渣成分檢測領域，更具體地說，涉及一種爐渣成分在線預測方法。
背景技術：
爐渣是冶煉過程中的重要產物之一，它是由原料中的雜質與造渣材料在熔煉時形成的高溫熔渣。在冶煉過程中，爐渣的化學成分影響著產品的質量，其組分必須加以控制，對其常見組分的快速準確分析尤為重要。
目前，對爐渣成分的測量分析基本采用離線方式，主要包括化學法、原子吸收光譜法、x射線熒光光譜法和電感耦合等離子體原子發射譜法等。例如專利公開號：cn106248707a，公開日：2016年12月21日，發明創造名稱為：一種快速聯測閃速熔煉爐渣中ni、cu、fe、s、cao、mgo、sio2、pb、zn、as、sb、bi的分析方法，該申請案的分析方法按照以下幾個步驟進行：樣片的制備，標準樣片的制備，儀器漂移校正樣片的制備，儀器漂移校正樣片的測定，選取特殊基體校正方法，樣片的測定和分析結果的計算，該申請案的有益效果為：采用粉末壓片，樣品預處理過程快速，實現了快速測定，10min內即可完成1個樣品的多元素測定，勞動效率高，操作簡便，獨特的儀器分析參數和基體校正模式，探索出適宜的儀器分析參數和獨特的校正模式，解決部分元素標準曲線回歸不成線性的技術問題，能進行多元素聯測，實現主量成分與次量成分的聯測。
但是，采用離線方式對爐渣成分進行測量一方面相對繁瑣、速度慢、費時費力，另一方面難以滿足在線生產對于及時獲知爐渣成分的需求，針對上述問題，現有技術中出現了在線測量爐渣成分的技術，例如專利公開號：cn102305785a，公開日：2012年01月04日，發明創造名稱為：熔融爐渣成分實時在線監測裝置，該申請案公開了一種熔融爐渣成分實時在線監測裝置，包括激光導光臂、光學檢測探頭、多點駐留測量機械臂、信號發生與采集處理部分與后端控制系統。激光導光臂分別與信號發生與采集處理部分和光學檢測探頭相連接；光學檢測探頭為t形三通結構，內部固定有擴束準直透鏡組、45°入射激光波長高反180-900nm高透鏡、透鏡陣列和聚焦透鏡，并配置有光纖耦合接口，外部裝有激光測距儀；信號發生與采集處理部分包括調q激光器、光譜儀、增強型電荷耦合器件及微處理器等；后端控制系統主要完成激光測距儀、多點駐留測量機械臂以及冷卻氣體流量等的控制。該申請案具有分析速度快、無需取樣的特點，能在高溫惡劣環境下同時實現熔融爐渣中多種成分的實時在線監測。但是，該申請案的在線監測裝置結構復雜，運行成本較高。
近年來，為了得到更低磷含量的鋼水并同時降低原料成本，國內外一些鋼廠已陸續開發頂吹轉爐留渣雙渣法深脫磷技術，將爐渣成分實時計算方法運用到這種工藝，可依據實時預報的爐渣成分來確定轉爐中途倒渣操作的時機和倒渣量。目前常用的爐渣成分實時計算方法為結合轉爐物料平衡和熱平衡來反算爐渣成分，此方法有以下幾點問題：(1)監測儀器的延遲性會造成計算結果預報的延遲，使計算結果失去實時性；(2)初始數據的缺失會使物料平衡和熱平衡方程組無解，造成爐渣成分無法準確的預報；(3)在生產過程中，監測儀器的誤差無法估算，所以由此產生的計算結果誤差是無法消除的。
綜上所述，如何克服現有測量方法存在的無法滿足爐渣成分在線實時檢測的不足，是現有技術中亟需解決的技術問題。
技術實現要素：
1.發明要解決的技術問題
本發明的目的在于克服現有測量方法存在的無法滿足爐渣成分在線實時檢測的不足，提供了一種爐渣成分在線預測方法，一定程度解決了上述問題。
2.技術方案
為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
本發明的爐渣成分在線預測方法，包括以下步驟：
步驟a：轉爐爐次開始吹煉時，準備好爐渣成分和重量計算模塊；
步驟b：啟動爐渣成分和重量計算模塊，對爐渣成分和重量進行計算；
步驟c：將步驟b中的計算結果存入數據存儲模塊，并傳送至畫面顯示終端顯示；
步驟d：若轉爐系統具有自動煉鋼控制模塊，將步驟b中的計算結果同步傳送至自動煉鋼控制模塊用于自動煉鋼模型的計算；
步驟e：判斷爐次吹煉是否結束，若未結束，轉入步驟b，否則，進入下一步；
步驟f：判斷爐次是否結束，若結束，進行參數的自學習計算，否則，等待；
步驟g：結束。
作為本發明更進一步的改進，步驟b中爐渣成分和重量計算步驟如下：
(1)轉爐鋼水重量的計算
wms＝(wiron*a1+wscrap*a2+wore*a3)*a4
其中：
wms表示轉爐鋼水重量；wiron表示鐵水的重量；wscrap表示廢鋼的重量；wore表示鐵礦石的重量；
(2)爐渣中cao、mgo重量的計算
wcao＝b1*σmate*pca+wslag1*pcao1
wmgo＝b2*σmate*pmg+wslag1*pmgo1
其中：
wcao表示爐渣中cao的重量；wmgo表示爐渣中mgo的重量；
mate表示加入的各種輔料重量；pca表示對應輔料中ca的含量；pmg表示對應輔料中mg的含量；wslag1表示上一爐留渣的重量；pcao1表示上一爐留渣中cao的含量；pmgo1表示上一爐留渣中mgo的含量；
(3)鋼水中si、mn、p和s含量的計算
①鋼水中si含量的計算
[si％]＝c1e-nt+c2
其中，si％表示鋼水中si的含量；c1表示方程常數；c2表示方程優化常數；n是反應硅氧化性質的數值；t為時間參數，表示吹煉的時間；e表示自然常數；
②鋼水中mn含量的計算
[mn％]＝a-bt+ct2-dt3+et4-ft5
其中，mn％表示鋼水中mn的含量；a、b、c、d、e和f分別表示方程校正常數；t表示吹煉的時間；
③鋼水中p含量的計算
其中，p％表示鋼水中p的含量；wacp表示輔料帶入的磷的量；wms表示轉爐鋼水重量；t表示吹煉的時間；
[p％]0表示鋼水中磷的初始含量；
vp表示磷的實時氧化速率；
④鋼水中s含量的計算
其中，s％表示鋼水中s的含量；wacs表示輔料帶入的硫的量；wms表示轉爐鋼水重量；t表示吹煉的時間；
[s％]0表示鋼水中硫的初始含量；vs表示脫硫速率；
(4)爐渣中sio2、mn、p2o5和s重量的計算
①sio2的重量的計算
wsio2＝(wiron*psi-wms*[si％])*15/7
其中，wsio2表示爐渣中sio2的重量；wiron表示鐵水的重量；psi表示鐵水中si的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[si％]表示鋼水中si的含量；
②mn的重量的計算
wmn＝wiron*pmn-wms*[mn％]
其中，wmn表示爐渣中mn的重量；wiron表示鐵水的重量；pmn表示鐵水中mn的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[mn％]表示鋼水中mn的含量；
③p2o5的重量的計算
wp2o5＝(wiron*pp-wms*[p％])*11/3
其中，wp2o5表示爐渣中p2o5的重量；wiron表示鐵水的重量；pp表示鐵水中p的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[p％]表示鋼水中p的含量；
④s的重量的計算
ws＝wiron*ps-wms*[s％]
其中，ws表示爐渣中s的重量；wiron表示鐵水的重量；ps表示鐵水中s的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[s％]表示鋼水中s的含量；
(5)爐渣中cao、mgo、sio2、mn、p2o5和s的含量計算
wslag2＝wcao+wmgo+wsio2+wmn+wp2o5+ws，
其中，wslag2表示爐渣中cao、mgo、sio2、mno、p2o5和s的重量和；
爐渣的總重量：wslag＝wslag2/α；
pcao＝wcao/wslag；
pmgo＝wmgo/wslag；
psio2＝wsio2/wslag；
pmn＝wmn/wslag；
pp2o5＝wp2o5/wslag；
ps＝ws/wslag；
(6)上述計算中，如果某次計算前存在中途倒渣的發生，計算的爐渣量需要減去中途倒渣的重量。
作為本發明更進一步的改進，步驟b中，a1、a2、a3和a4為計算系數，其取值范圍分別為：
a1：(0.85，0.99)；a2：(0.88，0.99)；a3：(0.50，0.75)；a4：(0.95，0.98)；
b1、b2為常數，b1表示cao和ca之間的換算系數，b1＝1.4；b2表示mgo和mg之間的換算系數，b2＝1.66；
a、b、c、d、e和f其范圍為a：(1.11943，1.13117)；b：(0.41125，0.42678)；c：(0.07241，0.07411)；d：(0.00568，0.00598)；e：(0.000206025，0.000208027)；f：(0.00000275161，0.00000275477)。
作為本發明更進一步的改進，[p％]0的計算公式為：[p％]0＝wiron*pp/wms，
其中，wiron表示鐵水的重量；pp表示鐵水中磷含量；wms表示轉爐鋼水重量；
vp的計算公式為：
其中，p％表示鋼水中p的含量；t表示吹煉的時間；a表示渣-金界面有效面積，其等于(2.3，2.7)*轉爐爐膛截面面積；
作為本發明更進一步的改進，[s％]0的計算公式為：
[s％]0＝wiron*ps/wms，其中，wiron表示鐵水的重量；ps表示鐵水中硫的含量；wms表示轉爐鋼水重量；
vs的計算公式為：
其中，s％表示鋼水中s的含量；t表示吹煉的時間；a表示渣-金界面有效面積，其等于(2.3，2.7)*轉爐爐膛截面面積；
作為本發明更進一步的改進，鋼水中si含量的計算過程中，c1的范圍是(0.367，1.319)；c2的范圍是(-0.005，0.005)；n的范圍是(-1.233，-1.054)；
爐渣中cao、mgo、sio2、mn、p2o5和s的含量計算過程中，α取值范圍為(0.75，0.81)。
3.有益效果
采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：
(1)綜合本申請的內容，可知本爐渣成分在線預測方法最大的創新點在于：將爐渣成分實時預報模型應用于雙渣工藝，即提出了爐渣成分實時預報的思想，運用其實時性和準確性，為一次倒渣時機和一次倒渣量的判斷提供方便；其中，若倒渣時機過早，易造成脫磷率低，爐渣粘度過大，倒渣不流暢；若倒渣時機過晚，由于溫度高，易造成回磷，降低脫磷率；若倒渣量過大，則鐵損嚴重，造渣料消耗大；若倒渣量過小，易造成脫磷率降低。而本發明的方法使用方便，通過該方法，能準確、實時預報轉爐冶煉過程中爐渣的成分，為轉爐冶煉過程中的鋼水成分、溫度控制以及雙聯法煉鋼的中間出渣等控制提供依據。
(2)本發明采用計算模型實時計算鋼水中爐渣所含各種成分的含量和重量，克服了現有測量方法存在的無法滿足爐渣成分在線實時檢測的不足，可為倒渣操作提供可靠指導，根據爐渣成分實時預報，確定倒渣時機和倒渣量，能夠提高冶煉過程的鋼水產量和質量，產生可觀的經濟效益，且能夠實時、準確地預測轉爐在冶煉過程中的爐渣成分。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為實施例1的爐渣成分在線預測方法的流程圖；
圖2為實施例1中現場使用時的實時計算界面的截圖；
圖3為實施例2中現場使用時的實時計算界面的截圖；
圖4為實施例3中現場使用時的實時計算界面的截圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。
實施例1
結合圖1，本實施例的爐渣成分在線預測方法，包括以下步驟：
步驟a：轉爐爐次開始吹煉時，準備好爐渣成分和重量計算模塊；
步驟b：啟動爐渣成分和重量計算模塊，對爐渣成分和重量進行計算；
步驟b中爐渣成分和重量計算步驟如下：
(1)轉爐鋼水重量的計算
轉爐出鋼的鋼水主要是由鐵水、廢鋼以及鐵礦石中的含鐵量決定，其計算公式如下：
wms＝(wiron*a1+wscrap*a2+wore*a3)*a4
其中：
wms表示轉爐鋼水重量，單位(kg)；wiron表示鐵水的重量，單位(kg)；wscrap表示廢鋼的重量，單位(kg)；wore表示鐵礦石的重量，單位(kg)；
a1、a2、a3和a4為計算系數，其取值范圍分別為：
a1：(0.85，0.99)；a2：(0.88，0.99)；a3：(0.50，0.75)，鐵礦石的鐵含量隨著品位不同，取值范圍偏差較大；a4：(0.95，0.98)；
(2)爐渣中cao、mgo重量的計算
cao、mgo是由加入轉爐中的各種輔料中的石灰、鎂球等生成的，還包括上一爐留渣帶入，其計算公式如下：
wcao＝b1*σmate*pca+wslag1*pcao1
wmgo＝b2*σmate*pmg+wslag1*pmgo1
其中：
wcao表示爐渣中cao的重量，單位(kg)；wmgo表示爐渣中mgo的重量，單位(kg)；
mate表示加入的各種輔料重量；pca表示對應輔料中ca的含量；pmg表示對應輔料中mg的含量；wslag1表示上一爐留渣的重量，單位(kg)；pcao1表示上一爐留渣中cao的含量；pmgo1表示上一爐留渣中mgo的含量；
b1、b2為常數，b1表示cao和ca之間的換算系數，b1＝1.4；b2表示mgo和mg之間的換算系數，b2＝1.66；
(3)鋼水中si、mn、p和s含量的計算
①鋼水中si含量的計算
[si％]＝c1e-nt+c2
其中，si％表示鋼水中si的含量，單位(％)；c1表示方程常數，與實際的冶煉條件相關，如轉爐大小，吹煉制度，鐵水帶渣等，范圍是(0.367，1.319)，本實施例中取值為0.629；c2表示方程優化常數，范圍是(-0.005，0.005)，本實施例中取值為0；n是反應硅氧化性質的數值，實驗室測定其范圍是(-1.233，-1.054)，本實施例中取值-1.188；t為時間參數，單位(min)，表示吹煉的時間；e表示自然常數；
②鋼水中mn含量的計算
[mn％]＝a-bt+ct2-dt3+et4-ft5
其中，mn％表示鋼水中mn的含量，單位(％)；a、b、c、d、e和f分別表示方程校正常數，根據工業現場數據，可分別確定其范圍為a：(1.11943，1.13117)，本實施例中取值1.1231；b：(0.41125，0.42678)，本實施例中取值0.41875；c：(0.07241，0.07411)，本實施例中取值0.07331；d：(0.00568，0.00598)，本實施例中取0.00576；e：(0.000206025，0.000208027)，本實施例中取0.000207000；f：(0.00000275161，0.00000275477)，本實施例中取0.00000275300；t表示吹煉的時間，單位(min)；
③鋼水中p含量的計算
其中，p％表示鋼水中p的含量，單位(％)；wacp表示輔料帶入的磷的量，單位(kg)，由于輔料中幾乎不含硫，此處取值為0；wms表示轉爐鋼水重量，單位(kg)；t表示吹煉的時間，單位(min)；
[p％]0表示鋼水中磷的初始含量，單位(％)，[p％]0的計算公式為：[p％]0＝wiron*pp/wms，
其中，wiron表示鐵水的重量，單位(kg)；pp表示鐵水中磷含量，單位(％)；wms表示轉爐鋼水重量，單位(kg)；
vp表示磷的實時氧化速率，vp的計算公式為：
其中，p％表示鋼水中p的含量；t表示吹煉的時間；a表示渣-金界面有效面積＝(2.3，2.7)*轉爐爐膛截面面積，本實施例中取2.7倍；
④鋼水中s含量的計算
其中，s％表示鋼水中s的含量；wacs表示輔料帶入的硫的量，由于輔料中幾乎不含硫，此處取值為0；wms表示轉爐鋼水重量；t表示吹煉的時間；
[s％]0表示鋼水中硫的初始含量,[s％]0的計算公式為：
[s％]0＝wiron*ps/wms，其中，wiron表示鐵水的重量；ps表示鐵水中硫的含量；wms表示轉爐鋼水重量；
vs表示脫硫速率，vs的計算公式為：
其中，s％表示鋼水中s的含量；t表示吹煉的時間；a表示渣-金界面有效面積＝(2.3，2.7)*轉爐爐膛截面面積，本實施例中取2.7倍；
(4)爐渣中sio2、mn、p2o5和s重量的計算
①sio2的重量的計算
wsio2＝(wiron*psi-wms*[si％])*15/7
其中，wsio2表示爐渣中sio2的重量；wiron表示鐵水的重量；psi表示鐵水中si的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[si％]表示鋼水中si的含量；
②mn的重量的計算
wmn＝wiron*pmn-wms*[mn％]
其中，wmn表示爐渣中mn的重量；wiron表示鐵水的重量；pmn表示鐵水中mn的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[mn％]表示鋼水中mn的含量；
③p2o5的重量的計算
wp2o5＝(wiron*pp-wms*[p％])*11/3
其中，wp2o5表示爐渣中p2o5的重量；wiron表示鐵水的重量；pp表示鐵水中p的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[p％]表示鋼水中p的含量；
④s的重量的計算
ws＝wiron*ps-wms*[s％]
其中，ws表示爐渣中s的重量；wiron表示鐵水的重量；ps表示鐵水中s的含量；wms表示轉爐鋼水重量；[s％]表示鋼水中s的含量；
(5)爐渣中cao、mgo、sio2、mn、p2o5和s的含量計算
wslag2＝wcao+wmgo+wsio2+wmn+wp2o5+ws，
其中，wslag2表示爐渣中cao、mgo、sio2、mno、p2o5和s的重量和；
由于爐渣中除含有cao、mgo2、sio2、mno、p2o5和s外，還含有其他的成分，因此，爐渣的總重量：wslag＝wslag/α，α取值范圍為(0.75，0.81)，本實施例中取值0.77；
pcao＝wcao/wslag；
pmgo＝wmgo/wslag；
psio2＝wsio2/wslag；
pmn＝wmn/wslag；
pp2o5＝wp2o5/wslag；
ps＝ws/wslag；
(6)上述計算中，如果某次計算前存在中途倒渣的發生，計算的爐渣量需要減去中途倒渣的重量；
步驟c：將步驟b中的計算結果存入數據存儲模塊，并傳送至畫面顯示終端顯示；
步驟d：若轉爐系統具有自動煉鋼控制模塊，將步驟b中的計算結果同步傳送至自動煉鋼控制模塊用于自動煉鋼模型的計算；
步驟e：判斷爐次吹煉是否結束，若未結束，轉入步驟b，否則，進入下一步；
步驟f：判斷爐次是否結束，若結束，進行參數的自學習計算，否則，等待；
步驟g：結束。
根據上述實施例提供的爐渣成分在線預測方法，將爐渣成分和重量計算模塊導入計算機，通過計算機對爐渣成分進行在線預測，并將計算結果存入數據存儲模塊，然后傳送至畫面顯示終端顯示，圖2為實施例1中現場使用時的實時計算界面的截圖。
本實施例提供的爐渣成分在線預測方法中，針對不同的爐況，其相應的參數取值有所差別，由于無法窮舉所有爐況對應的爐渣成分在線預測方法，本實施例中僅以某鋼廠一轉爐為例進行說明。同時，由于計算系數a1、a2、a3和a4主要和原料的狀況相關，而國內鋼廠無法像國外鋼廠一樣穩定的使用同一狀況的原料，因此，實施例中分別取不同的a1、a2、a3和a4，以對應不同的原料。
具體本實施例中，取a1＝0.87；a2＝0.90；a3＝0.51；a4＝0.96。選取現場爐次號為zm3733的爐次進行計算，該爐次的具體信息如下：
鐵水信息：
吹煉信息：
(1)吹煉事件信息：
(2)吹氧信息：
計算誤差信息：
目標誤差：
其中溫差的計算方法為：
溫差＝計算結果–取樣結果。
成分誤差的計算方法為：
誤差＝(計算結果–取樣結果)/取樣結果。
結論：各項計算誤差均比較理想。
實施例2
本實施例的爐渣成分在線預測方法，其步驟、參數與實施例1基本相同，其不同之處在于：
取a1＝0.91；a2＝0.89；a3＝0.53；a4＝0.95。選取現場爐次號為zm4991的爐次進行計算，該爐次的具體信息如下：
鐵水信息：
吹煉信息：
(1)吹煉事件信息：
(2)吹氧信息：
計算誤差信息：
目標誤差：
其中溫差的計算方法為：
溫差＝計算結果–取樣結果。
成分誤差的計算方法為：
誤差＝(計算結果–取樣結果)/取樣結果。
結論：結合圖3，僅p2o5誤差相對較大，其余項誤差均比較理想。
實施例3
本實施例的爐渣成分在線預測方法，其步驟、參數與實施例1基本相同，其不同之處在于：
取a1＝0.90；a2＝0.92；a3＝0.55；a4＝0.97。選取現場爐次號為zm3734的爐次進行計算，該爐次的具體信息如下：
鐵水信息：
吹煉信息：
(1)吹煉事件信息：
(2)吹氧信息：
計算誤差信息：
目標誤差：
其中溫差的計算方法為：
溫差＝計算結果–取樣結果。
成分誤差的計算方法為：
誤差＝(計算結果–取樣結果)/取樣結果。
結論：結合圖4，僅tfe誤差相對較大，其余項誤差均比較理想。
爐渣是冶煉過程中的重要產物之一，它是由原料中的雜質與造渣材料在熔煉時形成的高溫熔渣；在冶煉過程中，爐渣的化學成分影響著產品的質量，其組分必須加以控制，對其常見組分的快速準確分析尤為重要；綜合本申請的內容，可知本爐渣成分在線預測方法最大的創新點在于：將爐渣成分實時預報模型應用于雙渣工藝，即提出了爐渣成分實時預報的思想，運用其實時性和準確性，為一次倒渣時機和一次倒渣量的判斷提供方便；其中，若倒渣時機過早，易造成脫磷率低，爐渣粘度過大，倒渣不流暢；若倒渣時機過晚，由于溫度高，易造成回磷，降低脫磷率；若倒渣量過大，則鐵損嚴重，造渣料消耗大；若倒渣量過小，易造成脫磷率降低。本發明的方法使用方便，通過該方法，能準確、實時預報轉爐冶煉過程中爐渣的成分，為轉爐冶煉過程中的鋼水成分、溫度控制以及雙聯法煉鋼的中間出渣等控制提供依據。
本發明采用計算模型實時計算鋼水中爐渣所含各種成分的含量和重量，克服了現有測量方法存在的無法滿足爐渣成分在線實時檢測的不足，可為倒渣操作提供可靠指導，根據爐渣成分實時預報，確定倒渣時機和倒渣量，能夠提高冶煉過程的鋼水產量和質量，產生可觀的經濟效益，且能夠實時、準確地預測轉爐在冶煉過程中的爐渣成分。
以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發明的保護范圍。
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